基于CPLD芯片的视频图像码率控制方法研究

(成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山 614000)

0 引言

在视频应用时，码率控制占据重要地位，保障码率得以约束的前提下，码率控制以提升编码图像的质量水平为目的。为得到更优质的视觉感受，拥有相同的图像质量为视频编码期望特性之一[1]。一般情况下，码率控制算法的优化力求帧图像失真度最小，这堪称整体意义上对图像质量进行优化，也许会造成各帧图像内每个宏块的信噪比不集中分布的问题，图像每个部分质量波动很大，导致了主观视觉质量水平降低[2]。在目前的视频压缩编码标准中，由于对视频序列中类型不一样的帧采用不一样的编码方式，与此同时，每个帧图像的活动性也不一样，导致每个帧编码后生成的比特数有某些差异[3]。

编码速率控制是为了使编码器输出的码流达到稳定，尽可能消除编码端缓冲器溢出问题，进一步提高重建图像质量。过去利用小波视频码率控制方式，该方式可以针对信号执行多分辨分析与时频局部化操作，恢复图像满足人眼的主观需求，借助三维最小度分解原始图像序列，之后借助修改后的等级树集合分区的算法量化效度系数[4]。即便此方法有很好的控制效果，但因为交换缓冲器的容量不是无限的，视频码流的突发性有形成拥塞的危险，继而造成丢失缓冲器溢出与信元的后果，传输的服务质量会降低。因此，以CPLD芯片为基础的视频图像码率控制方法研究被提出。

1 基于CPLD芯片的视频图像码率控制

此控制方案利用以CPLD芯片的码率为基础的控制方式，借助它的低复杂度、高控制精度达到提高运算速度与控制精度的目的，使当前码率控制算法的性能占据较大优势[5]。该控制方案的码率控制方法主要由CPLD芯片视频图像灰度增强、视频质量控制、主动跳帧控制和编码码率控制4个模块组成，如图1所示。

图1 基于CPLD芯片的视频图像码率控制框图

1.1 基于CPLD芯片视频图像灰度增强

借助视频解码芯片，解码当前的模拟视频信号，并将模拟视频信号转化成数字视频信号，再采用可编程逻辑器件CPLD，完成灰度线性变换指令，使视频图像的灰度进行增强[6]。

1.1.1 视频解码

视频解码芯片采用9位视频输入处理器，其型号为sAA7113，该视频输入处理器来自于Philips公司。在系统中这个芯片的主要功能是使复合视频信号CVBS完成A/D转换指令，并输出一个数字视频信号在YUV 4∶2∶2格式中符合ITU656标准，即取样频率的两倍(13.5 MHz)行参考信号HREF、场参考信号VREF和半像素时钟信号LLC[7]。由于信号钳位、对比度控制、饱和度控制、抗混叠滤波、自动增益控制与亮度控制等能够在视频解码芯片内部完成，因此，只有在系统上电复位后，依据I2C总线，才能正确地执行视频解码芯片内部相关控制寄存器完成初始化设置，即可获得高质量的数字视频信号和时钟信号，用于同步所有系统[8]。

1.1.2 视频信号格式统一

图2是一行像素数据的格式。

图2 视频信号格式统一

因为数字视频信号在YUV4∶2∶2格式中，色差信号取样率是亮度信号取样率的一半，所以每两个像素时钟周期输出两个色差信号Cb，Cr和一个灰度信号Y。在CClR556倡议中，将视频数据中的量化值设定为255和0，并记为保留值。量化数据的串行输出按此循环，其顺序为：Yo、Uo、Y1、vo、Y2、U1、Y3、V1、Y5、U2、Y6、V2[9]。

1.1.3 视频图像灰度增强处理

通过灰度线性变换指令，使视频图像的灰度进行增强，并利用Verilog HDL叙述CPLD执行算法。再运用SAA7113模拟数字转换，输入8位数字视频信号VPI。在8位灰度映射表中，选择拨码开关、半像素时钟信号LLCI与行场同步Vref、Href；并将输入的半像素时钟LLCO与8位数字视频信号VPO发送到sAA7121H处理器。当每个半像素时钟信号处于上升沿时，判断像素是否处于行程状态或进程状态。如果是，则设定初始为首个进行上下行参考的信号，将偶数位的取样点进行灰度变换，根据波码开关的输入值选择相应的变换函数。在进行灰色映射时，使用case分支语句将需要处理的灰色映射表和灰度级进行关联。将奇数取样点均设定为0X80(对应的色差信号为0)，去除颜色信息的同时，对图像进行灰度变换。

1.2 编码码率控制

在视频编码中，为了达到码率约束要求目的，需利用固定的比特率输出，图像的量化参数会持续变化，图像质量亦会产生波动；为保证质量的均匀，一般情况下利用确定的量化参数图对图像执行量化处理，但是如此输出的编码比特率非恒定不变，在有带宽限制的应用中无法适用。如图3所示。

图3 固定编码比特率与固定图像质量之间关系

在率失真理论的码率控制中，优化策略以码率约束满足为前提，让全部编码图像的失真度为最小值。因为图像内容存在差异，在码率固定的前提条件下，每个宏块的量化参数必然会有波动，造成图像的不同部分质量产生波动，对主观视觉质量造成影响。考虑到以上两种编码方法(获取固定码率的编码方法与获取一致的编码质量的编码方法的特性)，所以，一种码率控制方法被提出了：码率约束达到要求后，最小化每个宏块量化参数的方差。借助此种优化方式，能够让宏块量化参数分布更为集中，近似于量化参数固定编码方式，进而取得均匀相同的图像质量；与此同时，因为带宽约束得到满足，固定码率的编码方式亦可以应用于带宽受限的应用环境中。确保正确解码，每个宏块的量化参数会被执行编码操作并且向解码端传输。

被提出的码率控制以CPLD芯片为基础，采用的码率控制方法先计算目前缓冲区比特数，

(1)

依据上述内容，编码帧目标比特数为：

(2)

式(2)中,λ表示缓冲延迟系数。

提出的基于CPLD芯片的视频图像码率控制方法需依据当前渲染到纹理值，统计报文丢失率，结合CPLD芯片视频图像灰度增强处理内容，估计报文传输所需的比特数，具体控制步骤如下所示：

Step1：跳帧控制

统计缓冲区大小，重新计入EC编码，以此作为数据开销；

Step2：信道状态估计

统计前两帧图像传输反馈的数量，计入纠错报文之中，由此计算报文出错率；

Step3：估计需要纠错时间

设置缓冲区图像帧数和报文长度，依据所需发送的报文总数纠错报文出错率，通过搜索方法计算所需纠错报文数目；

Step4：确定采用的编码帧分配所需的比特数，将Step3中得到的渲染到纹理值带入其中，并根据选择的模式估计纠错报文所需比特数。

依据上述内容，完成编码码率控制。

1.3 视频质量控制

在视频码率控制中，评价控制算法优劣的主要依据为视频码率，但应用视频码率的同时，还需要对视频质量进行控制，所以需要引入一个质量控制模块。

1.3.1 视频采集

视频采集依靠采集程序与计算机内置的采集卡完成。档次高的采集卡对应生成高质量视频。某些视频采集卡可以执行硬压缩，采集速度很快。尽量应用高质量的采集卡进行视频的捕捉，保证图像效果较好。针对某些可以执行压缩的采集卡，采集成AVI格式视频具有较好效果。进行采集时，可利用随卡带的采集程序，亦可运用Premiere的采集程序。借助Premiere的cuptu:命令采集时，需要在模拟信号与DV信号中区分出视频信号源，在cupture format采集格式中选取composite(模拟复合)或者是DV(数字视频)。条件允许的情况下，首选DV格式采集。

1.3.2 视频编辑

视频作品质量的提高是视频媒体编辑的重要过程，借助对采集压缩后的视频素材执行编辑操作，让视频感染力、表现力增强。编辑过程为：将编辑程序打开，新建视频编辑项目，把数字化的视频素材传输进此项目窗口，对素材进行选择，设置素材在编辑轨上的展开方式，之后调用编辑软件供给的各个软件，比如剪辑、重新排序、衔接素材、添加特效、运动叠加、中英文字幕等。

视频节目编辑成功之后，可以直接压缩成为所需格式，图像信息的损失有效降低，清晰度提高了。使用素材时，最好保持图像的原始尺寸与宽高比。视频片段加入滤镜效果时，需要进行选择，原因是某些滤镜效果会使原视频劣质化，清晰度显著降低，可以决定少加甚至是不加。此外，不超过视频的目标任务的情况下，力求视频压缩的比特率得到提高，图像细节的损失减少。

1.4 主动跳帧控制

对于解码器，如果在编码端存在跳帧控制，则解码端将重复前一帧图像的内容，使解码后的重构视频序列满足指定的帧速率。或者可以使用之前编码帧的重建帧，计算通过帧的峰值信噪比。如果第j帧被跳过(事实上，没有跳过帧)，则使用前一重建帧的第j-1帧。如果峰值信噪很小，则说明跳过当前帧并没有显著降低PSNR，即可得到视频质量没有显著变化，能够作为跳帧控制策略。与一般的跳帧相比，即可作为主动跳帧控件。如果该帧满足主动跳帧的要求，则会生成两种效果:首先是未对帧进行编码，保存一些码字，降低模式判断和运动估计，并减少计算量；其次，缓冲区空间被空出，缓冲区充盈度的减小，将造成控制器无法准确调整后续帧的量化参数。

2 实验分析

为了验证基于CPLD芯片的视频图像码率控制方法的有效性，对标准测试序列(共100帧)进行测试分析，并与小波视频码率控制方法相比较。测试序列为QCIF格式，帧频率为20 f/s，以50 kb/s速率进行编码，缓冲器容量为3 500 bit。

在视频图像细节简单情况下，分析不同控制方法下缓冲器所占用量对比分析，结果如图4所示。

图4 不同控制方法下缓冲器所占用量对比分析

由图4可知，采用小波视频码率控制方法在视频图像变化时，缓冲器占用量较大，而采用基于CPLD芯片视频图像码率控制方法缓冲器占用量相对较小。

在视频图像细节丰富情况下，需将视觉图像质量一致性以帧内失真度均方误差作为度量准则，该误差计算公式为：

(3)

式中,M表示视频图像数量；S′表示重建图像与原图像之间的均方误差；S越小，失真度就越集中，视频图像也就越清晰。

在miss-am序列、foreman序列、coastguard序列下，将两种方法的失真度均方误差进行对比分析，结果如图5所示。

图5 两种方法的失真度方差对比分析

由图5可知：在miss-am序列下，采用小波视频码率控制方法在帧数为40～60帧时，均方误差达到最高为180；而基于CPLD芯片控制方法在该帧数范围内，均方误差达到最高为270。在foreman序列下，采用小波视频码率控制方法在帧数为60帧时，均方误差达到最高为520；而基于CPLD芯片控制方法也在60帧时，均方误差达到最高为510。在coastguard序列下，采用小波视频码率控制方法在帧数为100帧时，均方误差达到最高为800；而基于CPLD芯片控制方法也在100帧时，均方误差达到最高为790。由此可知，采用基于CPLD芯片控制方法失真度较小，获取的视频图像更加清晰。

基于上述内容，统计实际峰值信噪比PSNR_Y、PSNR_U、PSNR_V和输出码率大小，如表1所示。

表1 实际峰值信噪比输出码率大小分析

依据表1所示实际值，分别采用小波视频码率控制方法(A)和基于CPLD芯片控制方法(B)对码率控制精准度进行对比分析，结果如表2所示。

表2 两种方法码率控制精准度对比分析

PSNR_Y/dB峰值信噪比：采用小波视频码率控制方法在miss-am序列下与实际值相差2.91，在foreman序列下与实际值相差5.09，在coastguard序列下与实际值相差1.12；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下与实际值相差0.15，在foreman序列下与实际值相差1.51，在coastguard序列下与实际值相差0.27。

PSNR_U/dB峰值信噪比：采用小波视频码率控制方法在miss-am序列下与实际值相差2.94，在foreman序列下与实际值相差1.01，在coastguard序列下与实际值相差0.93；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下与实际值相差0.14，在foreman序列下与实际值相差0.06，在coastguard序列下与实际值相差0.33。

PSNR_V/dB峰值信噪比：采用小波视频码率控制方法在miss-am序列下与实际值相差5.48，在foreman序列下与实际值相差4.2，在coastguard序列下与实际值相差2；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下与实际值相差0.15，在foreman序列下与实际值相差1.51，在coastguard序列下与实际值相差0.27。

输出码率：采用小波视频码率控制方法在miss-am序列下与实际值相差5.9，在foreman序列下与实际值相差13.95，在coastguard序列下与实际值相差8.84；采用基于CPLD芯片控制方法在miss-am序列下与实际值相差0.09，在foreman序列下与实际值相差0.11，在coastguard序列下与实际值相差0.07。

综上所述：以CPLD芯片为基础的视频图像码率控制策略最小控制误差为0.07，由此也证实基于CPLD芯片的视频图像码率控制方法的有效性。

3 结束语

文中提出以CPLD芯片为基础的视频图像码率控制策略，带宽约束满足情况下，在一帧图像范围内对每个宏块量化参数的方差进行最小化处理，此准则能够均匀图像质量。与此同时，节省编码码流中应用于表征宏块量化参数变化的句法比特数，该方法是优化了小波视频码率控制方法的一致性，能够使编码图像质量均匀性提高，低码率的视频应用中应用性增强。

实验显示，此方法满足了高精度输出码率标准，并且同JVT-G012相比重建视频质量更优，是有效的码率控制策略之一。然而，针对运动量较大的序列，该文的码率控制方案同JVT-G012相比较并不具有什么优势，这也成为一个值得今后深入思考，研究的问题之一。